如何提高電解液對極片的浸潤效果?
電解液是電池正負極之間起傳導(dǎo)作用的離子導(dǎo)體,充放電過程中,在正負極間往返地傳輸鋰離子。電解液對電池的充放電性能(倍率高低溫)、壽命(循環(huán)儲存)、溫度適用范圍都有著比較大的影響。
適合的溶劑需其介電常數(shù)高,粘度小,常用的有烷基碳酸鹽如PC、EC等極性強,介電常數(shù)高,但粘度大,分子間作用力大,鋰離子在其中移動速度慢。而線性酯,如DMC(二甲基碳酸鹽)、DEC(二乙基碳酸鹽)等粘度低,但介電常數(shù)也低,因此,為獲得具有高離子導(dǎo)電性的溶液,一般都采用PC+DEC,EC+DMC等混合溶劑。
用于鋰離子電池的電解質(zhì)一般應(yīng)該滿足以下基本要求:
a.高的離子電導(dǎo)率,一般應(yīng)達到1×10-3~2×10-2S/cm;
b.高的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性,在較寬的電壓范圍內(nèi)不發(fā)生分離;
c.較寬的電化學(xué)窗口,在較寬的電壓范圍內(nèi)保持電化學(xué)性能的穩(wěn)定;
d.與電池其他部分例如電極材料、電極集流體和隔膜等具有良好的相容性;
e.安全、無毒、無污染性。
2.電解液浸潤效果
當(dāng)鋰電池使用達到廢棄的標(biāo)準后或者突然失效時,常常對其進行拆解來分析,是什么目的導(dǎo)致電池的性能衰減或驟降的。小編在對鋰電池進行拆解分析時,發(fā)現(xiàn)循環(huán)性能不太好的電池往往與電解液對極片的浸潤效果不好有關(guān)。電解液浸潤效果不好時,離子傳輸路徑變遠,阻礙了鋰離子在正負極之間的穿梭,未接觸電解液的極片無法參與電池電化學(xué)反應(yīng),同時電池界面電阻增大,影響鋰電池的倍率性能、放電容量和使用壽命。
那么,為了避免出現(xiàn)種種弊端,我們需要想辦法使電解液盡可能的浸潤極片。當(dāng)然了考慮到成本問題,我們需要使用盡可能適量的電解液。
3.如何提高電解液的浸潤性
電解液對極片的浸潤,涉及到固、液、氣三相接觸的內(nèi)容。當(dāng)把電解液注入電池殼內(nèi)時,首先電解液要排出殼內(nèi)的空氣,之后電解液會附著在正負極活物質(zhì)的表面,有的電解液會通過卷芯的隔膜進入正極-隔膜-負極之間。隨著時間的延續(xù),會出現(xiàn)電解液浸潤極片、隔膜內(nèi)電解液反向浸潤極片的現(xiàn)象,當(dāng)靜置時間長到一定程度時,在表面張力的作用下,對極片的浸潤就達到一個平衡的狀態(tài)。
在這個過程中,會涉及到物理化學(xué)中的一個概念“接觸角”(潤濕角)。如下圖所示,圖中藍色區(qū)域代表液體,灰色區(qū)域代表固體界面。那么藍色與灰色接觸的區(qū)域則是固液相接觸界面,液體的切線與固體界面交叉的位置形成了一個角度θ,其中接觸角θ越小說明電解液對極片或隔膜的浸潤性越好。
但是,在實際的操作過程中,往往無法把握電解液對極片的浸潤效果,根據(jù)上面提到的電解液浸潤的原理,我們可以從以下幾點來想辦法提高電解液對極片的浸潤效果:
(1)改善注液工藝
改善注液工藝是最常規(guī)的一種辦法,從注液效率、注液條件、靜置時間、注液方式等方面可以有效改善電解液的浸潤效果。
在真空條件下注液,不僅有利于電芯內(nèi)氣體的排出,還能夠減少氣體對電解液注入的阻力,有助于電解液對極片的浸潤。其原理是抽真空注液可以減少固-氣-液三相界面的存在氣相阻力,讓電解液與極片直接接觸,減少了浸潤時間。
通過延長真空下靜置的時間,可以保證電解液充分浸潤極片。注液之后,隨著靜置時間延長,電極液與極片的潤濕角逐漸減小,潤濕半徑逐漸增大,最終達到良好的浸潤效果。
為了避免電解液對隔膜、極片浸潤不充分的現(xiàn)象,可以分批次注入電解液,便于電解液對極片充分浸潤,此種操作方式從原理來講就是提高固液接觸幾率,擴大接觸面積,在電解液量不變的情況下,可以縮短浸潤時間。
(2)改善卷芯工藝
電解液浸潤效果與電極材料顆粒性質(zhì)、極片壓實密度、卷芯松緊度等不無關(guān)系。不同形貌、粒徑的正負極活物質(zhì)、導(dǎo)電劑,電解液對極片的浸潤效果明顯不同,原材料的粒徑越大,越接近于球形,其電解液滲透速率越大,浸潤時間越短。當(dāng)極片的壓實密度過大時,極片內(nèi)孔隙率降低,不利于電解液對極片的浸潤,需要調(diào)節(jié)適當(dāng)?shù)膲簩嵜芏龋诒WC電池低阻抗的條件下,滿足電解液的浸潤程度。同樣,電芯堆疊或者卷繞的松緊度也會影響電解液的浸潤。
卷繞較松時,正極-隔膜-負極之間的孔隙較大,積存的電解液量就較多,造成了部分地方富集和某些地方的缺乏,這樣無疑對電池的性能影響很大。當(dāng)卷繞較緊時,又會影響電解液的浸潤速度和效率,也是不足取的。
(3)添加電解液浸潤劑
通常采用的電解液為有機溶劑,極片為無機材料,吸收電解液的能力較弱。在電解液中加入外加劑也能夠改善電解液的浸潤。劉方方等采用了一種氟醚材料作為電解液的添加劑,試驗結(jié)果表明電解液中加入少量的浸潤劑可以有效縮短電池注液時間,并明顯提高電池的循環(huán)性能,但是需要注意的是當(dāng)浸潤劑添加量達到1%時,則會對循環(huán)性能有負面影響。
浸潤劑的實質(zhì)是表面活性劑,此類浸潤劑具有高表面活性、高耐熱穩(wěn)定性、低可燃性和高化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點,在電解液中添加浸潤劑后能夠降低液體的表面張力,提高電解液對極片的潤濕能力和滲透能力,從而提高電池的電化學(xué)性能。
通過以上的幾種辦法,可以有效改善電解液對極片的浸潤效果。縮短浸潤時間,可以節(jié)約生產(chǎn)成本,提高浸潤效果,可以降低電池界面阻抗,提高活物質(zhì)的利用效率,進而提升電池容量、改善放電倍率特性。

責(zé)任編輯:售電衡衡
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